光敏二极管应用电路

二极管应用电路

――摘自《传感器及其应用电路》P66图4-1是采用光敏二极管的最简单的光检测电路，图(a)是二极管输出端为开路方式，其输出电压随入射光量的对数呈线性变化，但容易受温度变化的影响。图(b)是二级管输出端为短路方式．输出电流随入射光量的对数呈线性变化．一般采用输出端短路的工作方式。然而，这两种电路都是光电二极管单个使用，其输出电压(或电流)非常小，一般要与晶体管或IC等放大器组合使用。

图4-2是无偏置电路实例、其中图(a)接高阻抗负载．图(b)接低阻抗负载。负载阻抗越高其特性越接近输出端开路方式，负载阻抗越低则越接近输出端短路方式。然而因二级管都是单个使用，所以输出信号极小．一般需要接放大电路。

图4-3是反向偏置电路实例。光敏二极管加反向偏置，则响应速度可提高几倍以上。图4-3(a)是接有较大负载电阻的电路．图4-3(b)是接有较小负载电阻的电路。图4-3(n)所示电路的输出电压比图4-3(b)所示电路大，但响应特性不如图4-3(b)。图4-3(b)所示电路的输出电压比图4-3(a)小，但响应速度比图4-3(a)快。它们的响应特性都比无偏置电路好，但暗电流比无偏置电路大。

图4-4是光敏二极管与晶体管组合应用电路实例。图4-4(a)为典型的集电极输出电路形式，而图4-4(b)为典型的发射极输出电路形式。

集电极输出电路适用于脉冲入射光电路，输出信号与输入信号的相位相反，输出信号一般较大。而发射极输出电路适用于模拟信号电路，电阻RB 可以减小暗电流，输出信号与

输入信号的相位相同，输出信号一般较小。

图4-5是光敏二极管VD 与运放A 组合应用实例．团4-5(a)为无偏置方式，图4-5(b)为反向偏置方式。

无偏置电路可以用于测量宽范围的入射光，例如照度计等，但响应特性比不上反向偏置的电路，可用反馈电阻Rf 调整输出电压，如果Rf 用对数二极管替代．则可以输出对数压缩的电压。反向偏置电路的响应速度快．输出信号与输入信号同相位。

图4-6是光敏二极管的几个应用电路实例。因4-6(a)是对数压缩电路，反馈电路中采用对数二极管VD，可以对输出电压进行对数压缩，测光范围较宽，一股用于模拟光信号电路。图4-6(b)是定位用传感器电路．采用对偶型光敏二极管，放大VD1与VD2的差动信号。图4-6(c)是与FE丁(VT)组合的调制光传感器电路．用于光控电路，响应速度快，噪声低，它

是一种调制光等的交流专用放大器，但不适合于模拟信号电路中。

光电二极管教程

光电二极管教程 工作原理 结光电二极管是一种基本器件，其功能类似于一个普通的信号二极管，但在结半导体的耗尽区吸收光时，它会产生光电流。光电二极管是一种快速，高线性度的器件，在应用中具有高量子效率，可应用于各种不同的场合。 根据入射光确定期望的输出电流水平和响应度是有必要的。图1描绘了一个结光电二极管模型，它由基本的独立元件组成，这样便于直观了解光电二极管的主要性质，更好地了解Thorlabs光电二极管工作过程。 图1: 光电二极管模型 光电二极管术语 响应度 光电二极管的响应度可以定义为给定波长下，产生的光电流(I PD)和入射光功率(P)之比： 工作模式(光导模式和光伏模式) 光电二极管可以工作在这两个模式中的一个: 光导模式(反向偏置)或光伏模式(零偏置)。工作模式的选择根据应用中速度和可接受暗电流大小(漏电流)而定。 光导模式 处于光导模式时，有一个外加的偏压，这是我们DET系列探测器的基础。电路中测得的电流代表器件接受到的光照; 测量的输出电流与输入光功率成正比。外加偏压使得耗尽区的宽度增大，响应度增大，结电容变小，响应度趋向直线。工作在这些条件下容易产生很大的暗电流，但可以选择光电二极管的材料以限制其大小。(注: 我们的DET器件都是反向偏置的，不能工作在正向偏压下。)

光伏模式 光伏模式下，光电二极管是零偏置的。器件的电流流动被限制，形成一个电压。这种工作模式利用了光伏效应，它是太阳能电池的基础。当工作在光伏模式时，暗电流最小。 暗电流 暗电流是光电二极管有偏压时的漏电流. 工作在光导模式时, 容易出现更高的暗电流, 并与温度直接相关. 温度每增加 10 °C, 暗电流几乎增加一倍, 温度每增加 6 °C, 分流电阻增大一倍. 显然, 应用更大的偏压会降低结电容, 但也会增加当前暗电流的大小. 当前的暗电流也受光电二极管材料和有源区尺寸的影响. 锗器件暗电流很大, 硅器件通常比锗器件暗电流小.下表给出了几种光电二极管 材料及它们相关的暗电流, 速度, 响应波段和价格. 结电容 结电容（C j）是光电二极管的一个重要性质，对光电二极管的带宽和响应有很大影响。需要注意的是，结区面积大的二极管结体积也越大，也拥有较大的充电电容。在反向偏压应用中，结的耗尽区宽度增加，会有效地减小结电容，增大响应速度。 带宽和响应 负载电阻和光电二极管的电容共同限制带宽。要得到最佳的频率响应，一个50欧姆的终端需要使用一条50欧姆的同轴电缆。带宽（f BW）和上升时间响应（t r）可以近似用结电容（C j）和负载电阻（R load）表示： 终端电阻 使用负载电阻将光电流转换为电压（V OUT）以便在示波器上显示： 根据光电二极管的类型，负载电阻影响其响应速度。为达到最大带宽，我们建议在同轴电缆的另一端使用50欧姆的终端电阻。其与电缆的本征阻抗相匹配，将会最小化谐振。如果带宽不重要，您可以增大负载电阻（R load），从而增大给定光功率下的光电压。终端不匹配时，电缆的长度对响应影响很大，所以我们建议使电缆越短越好。 分流电阻

二极管及其应用电路--笔记整理

半导体二极管及其应用电路 1．半导体的特性 自然界中的各种物质,按导电能力划分为:导体、绝缘体、半导体。半导体导电能力介于导体和绝缘体之间。它具有热敏性、光敏性（当守外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化）和掺杂性(往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显变化)。利用光敏性可制成光电二极管和光电三极管及光敏电阻;利用热敏性可制成各种热敏电阻;利用掺杂性可制成各种不同性能、不同用途的半导体器件,例如二极管、三极管、场效应管等。 2．半导体的共价键结构 在电子器件中,用得最多的材料是硅和锗,硅和锗都是四价元素,最外层原子轨道上具有4个电子,称为价电子。每个原子的4个价电子不仅受自身原子核的束缚,而且还与周围相邻的4个原子发生联系,这些价电子一方面围绕自身的原子核运动,另一方面也时常出现在相邻原子所属的轨道上。这样,相邻的原子就被共有的价电子联系在一起,称为共价键结构。 当温度升高或受光照时,由于半导体共价键中的价电子并不像绝缘体中束缚得那样紧,价电子从外界获得一定的能量,少数价电子会挣脱共价键的束缚,成为自由电子,同时在原来共价键的相应位置上留下一个空位,这个空位称为空穴, 自由电子和空穴是成对出现的,所以称它们为电子空穴对。在本征半导体中,电子与空穴的数量总是相等的。我们把在热或光的作用下,本征半导体中产生电子空穴对的现象,称为本征激发,又称为热激发。 由于共价键中出现了空位,在外电场或其他能源的作用下,邻近的价电子就可填补到这个空穴上,而在这个价电子原来的位置上又留下新的空位,以后其他价电子又可转移到这个新的空位上。为了区别于自由电子的运动,我们把这种价电子的填补运动称为空穴运动,认为空穴是一种带正电荷的载流子,它所带电荷和电子相等, 符号相反。由此可见, 本征半导体中存在两种载流子:电子和空穴。而金属导体中只有一种载流子——电子。本征半导体在外电场作用下,两种载流子的运动方向相反而形成的电流方向相同。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度时影响半导体性能的一个重要的外部因素。

光敏二极管和光敏三极管区别

光敏二极管和光敏三极管简介及应用 光敏二极管和光敏三极管是光电转换半导体器件，与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优。 一、光敏二极管 1．结构特点与符号 光敏二极管和普通二极管相比虽然都属于单向导电的非线 性半导体器件，但在结构上有其特殊的地方。 光敏二极管在电路中的符号如图Z0129 所示。光敏二极管 使用时要反向接入电路中，即正极接电源负极，负极接电 源正极。 2．光电转换原理 根据PN结反向特性可知，在一定反向电压范围内，反向电 流很小且处于饱和状态。此时，如果无光照射PN结，则因 本征激发产生的电子-空穴对数量有限，反向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电流。当有光照射PN结时，结内将产生附加的大量电子空穴对（称之为光生载流子），使流过PN结的电流随着光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称为光电流。不同波长的光（兰光、红光、红外光）在光敏二极管的不同区域被吸收形成光电流。被表面P型扩散层所吸收的主要是波长较短的兰光，在这一区域，因光照产生的光生载流子（电子），一旦漂移到耗尽层界面， 就会在结电场作用下，被拉向N区，形成部分光电流；彼长较长的红光，将透过P型层在耗尽层激发出电子一空穴对，这些新生的电子和空穴载流子也会在结电场作用下，分别到达N区和P 区，形成光电流。波长更长的红外光，将透过P型层和耗尽层，直接被N区吸收。在N区内因光照产生的光生载流子（空穴）一旦漂移到耗尽区界面，就会在结电场作用下被拉向P区，形成光电流。因此，光照射时，流过PN结的光电流应是三部分光电流之和。 二、光敏三极管 光敏三极管和普通三极管的结构相 类似。不同之处是光敏三极管必须 有一个对光敏感的PN结作为感光 面，一般用集电结作为受光结，因 此，光敏二极管实质上是一种相当 于在基极和集电极之间接有光敏二 极管的普通二极管。其结构及符号 如图Z0130所示。 三、光敏二极管的两种工作状态 光敏二极管又称光电二极管，它是 一种光电转换器件，其基本原理是 光照到P-N结上时，吸收光能并转变为电能。它具有两种工作状态：

光电二极管的应用电路

1. Low noise light-sensitive preamplifier Used in receivers for spatial light transmission and optical remote control. A reverse bias is applied to the photodiode to improve frequency response. This circuit outputs an amplified signal from the FET drain, but signals can also be extracted from the source side for interface to the next stage circuit with low input resistance. KPDC0014ED 2. Low-level-light sensor head The whole circuit is housed in a metallic shield box to eliminate external EMI (electromagnetic interference). The photodiode window size should be as small as possible. Use of an optical fiber to guide the signal light into the shield box is also effective in collecting light. If dry batteries are used and housed in the same shield box to supply power to the operational amplifier, noise originating from the AC source can be eliminated and the S/N ratio will be further improved. KPDC0016ED 3. Light balance detection circuit The output voltage Vo of this circuit is zero if the amount of light entering the two photodiodes PD 1 and PD 2 is equal. The photoelectric sensitivity is determined by the feedback resistance. By placing two diodes D in reverse parallel with each other, Vo will be limited to about ±0.5 V (maximum) in an unbalanced state, so that the region around a balanced state can be detected with high sensitivity. Use of a quadrant photodiode allows two-dimensional optical axis alignment. KPDC0017EB 4. Luxmeter This is an illuminometer using a visual-compensated photodiode S7686 and an operational amplifier. A maximum of 5000 lx can be measured with a voltmeter having a 5 V range. It is necessary to use an operational amplifier which can operate from a single voltage supply with a low bias current. A standard lamp should be used to calibrate the illuminometer. If no standard lamp is available, an incandescent lamp of 100 W can be used for approximate calibrations. To make calibrations, first select the 1 mV/lx range in the figure at the right and short the wiper terminal of the 500 9 variable resistor VR and the output terminal of the operational amplifier. Adjust the distance between the photodiode and the incandescent lamp so that the voltmeter reads 0.38 V . At this point, illuminance on the S7686 photodiode surface is about 100 lx . Then open the shorted terminals and adjust VR so that the voltmeter reads 1.0 V . Calibration has now been completed. KPDC0018EC Vo R PD : High-speed PIN photodiodes (S5052, S2506-02, S5971, S5972, S5973, etc.) R L : Determined by sensitivity and time constant of Ct of photodiode R S : Determined by operation point of FET FET: 2SK152, 2SK192A, 2SK362, etc. Bold lines should be within guarded layout or on teflon terminals. A 1:AD549, etc. Rf : 10 G 9 Max. A 2 :OP07, etc. S : Low-leakage reed relay Cf :10 to 100 pF, polystyrene capacitor PD: S1226/S1336/S2386 series, etc. PD: S1226/S1336/S2386 series, etc.A : LF356, etc.D : ISS270A, etc. Vo=Rf × (Isc 2 - Isc 1) (V) (Vo < ±0.5 V) When the amount of light entering the two photodiodes is equal, the output voltage Vo will be zero. In unbalanced state, Vo will be ±0.3 to 0.5 V. This circuit can be used for light balance detection between two specific wavelengths using optical filters. IC : ICL7611, TLC271, etc.PD: S7686 (3.8 μA/100 lx) * Meter calibration potentiometer 1

光敏二极管实现讲解学习

光敏二极管实现

引言 目前，光敏电阻和光敏二级管用于亮度调节非常广泛，两者都很方便的运用在光强自动调节的领域，比如说，学校的路灯，街道的路灯，都可以用光敏传感器来实现智能光调节功能，非常方便，外面的电路用了光敏传感器的反向连接功能，如果是白天的时候，路灯的电压就会减小到零，如果是晚上的时候，路灯的电压就会升高到一定值，使路灯变亮，这样就使得马路边的路灯不受人工控制，实现全智能化。 我相信在未来不久，只要有灯的地方，光敏传感器调节亮度这方面的电路将得到很广泛的应用，我们晚上玩手机屏幕的时候，手机的亮度很刺眼，会严重伤害眼睛，这时我们也应用光自动调节亮度的原理来实现这一功能，当外界的亮度很暗的时候，手机屏幕可自动调节它的亮度，使它的亮度小到一定的范围，合适为止，还有电脑屏幕的显示屏也是一样，这样不仅节约电，而且对眼睛还有保护作用，这个领域现在已经应用很广泛。 总之，亮度自动调节电路这方面的应用已经很广泛，生活中这方面的应用无处不在，使其不断趋向智能化。

1 系统硬件设计总体框图 本文通过设计一个用光敏二极管进行亮度调节的电路，利用光敏二极管的反向PN 结来采集外部信号，电路可以实现用光敏二极管来控制灯的亮度，而且在数码管上显示它的亮度等级，通过做这个电路，让我更加熟悉光敏二极管的应用了解，本电路由五个部分组成，一是光敏二极管采集电路，二是运算放大器电路，三是电源部分电路、四是AD转换和数码管驱动模块、五是数码管显示电路，本设计框图如图1.1所示。 图1.1 总电路框图 2 各部分电路分析 2.1 光敏二极管采集电路 2.1.1 光敏二极管简介 光敏二极管也叫光电二极管，光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向

光电二极管检测电路的组成及工作原理

光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中,光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换,但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景,单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理,然后如果读者有机会的话,可以运行一个SPICE模拟程序,它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法 是将一个光电二极管跨接在一个CMOS输入 放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种 方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中,光电二极管工作于光致电压 （零偏置）方式。光电二极管上的入射光使之 产生的电流I SC从负极流至正极,如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高,二极管产生的电流将流过反馈电阻R F。输出电压会随着电阻R F两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压,即 V OUT = I SC×R F（1） 图1 单电源光电二极管检测电路 式（1）中,V OUT是运算放大器输出端的电压,单位为V;I SC是光电二极管产生的电流,单位为A;R F是放大器电路中的反馈电阻,单位为W 。图1中的C RF是电阻R F的寄生电容和电路板的分布电容,且具有一个单极点为1/（2p R F C RF）。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件R F。用这个模拟程序,激励信号源为I SC,输出端电压为V OUT。 此例中,R F的缺省值为1MW ,C RF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后,传输函数中的极点等于1/（2p R F C RF）,即318.3kHz。改变R F 可在信号频响范围内改变极点。

光电二极管的工作原理与应用

光电二极管的工作原理与应用 学生：李阳洋王煦何雪瑞黄艺格指导老师：陈永强 摘要：光电二极管是结型器件。当光照射在P-N结时,光子被吸收,产生电子-空穴对,电子和空穴在结区被结电场所收集,在外电路形成光电流。为了保证绝大部分响应波长的入射光能在结区吸收,这就要求空间电荷区有足够宽度,所以外电路加有足够的反偏电压。 关键词：光电二极管;光电流;暗电流;反偏电压;光功率 1、引言 随着科学技术的发展，在信号传输和存储等环节中，越来越多地应用光信号。采用光电子系统的突出优点是，抗干扰能力较强、传送信息量大、传输耗损小且工作可靠。光电二极管是光电子系统的电子器件。光电二极管（photodiode）是一种能够将光根据使用方式转换成电流或者电压信号的光探测器。常见的传统太阳能电池就是通过大面积的光电二极管来产生电能。 2、工作原理 光电二极管是将光信号转换成电流或电压信号的特殊二极管，它与常规二极管结构上基本相似，都具有一个PN结，但光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。其基本原理是当光照在二极管上时，被吸收的光能转换成电能。光电二极管工作在反向电压作用下，只通过微弱的电流（一般小于0.1微安），称为暗电流，有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的电子，使有些电子挣脱共价键，而产生电子-空穴对，称为光生载流子，因为光生载流子的数目是有限的，而光照前多子的数目远大于光生载流子的数目，所以光生载流子对多子的影响是很小的，但少子的数目少有比较大的影响，这就是为什么光电二极管是工作在反向电压下而不是正向电压下，于是在反向电压作用下被光生载流子影响而增加的少子参加漂流运动，在P区，光生电子扩散到PN结，如果P区厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电子将能穿过P区到达PN结，在N区也是相同的道理，也因此光电二极管在制作时，PN结的结深很浅，以促使少子的漂移。综上若光的强度越大，反向电流也就越大，这种特性称为光导电，而这种现象引起的电流称为光电流。总的来说光电二极管的工作是一个吸收的过程，它将光的变化转换成反向电流的变化，光照产生电流和暗电流的综合就是光电流，因此光电二极管的暗电流因尽量最小化来提器件对光的灵敏度，光的强度与光电流成正比，因而就可以把光信号转换成电信号。 图1基本工作原理

光电二极管检测电路的工作原理及设计方案

?光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换，但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景，单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理，然后如果读者有机会的话，可以运行一个SP IC E模拟程序，它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法是将一个光电二极管跨接在一个CMOS 输入放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中，光电二极管工作于光致电压（零偏置）方式。光电二极管上的入射光使之产生的电流ISC从负极流至正极，如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高，二极管产生的电流将流过反馈电阻RF。输出电压会随着电阻RF两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压，即 VOUT = ISC ×RF （1）

图1 单电源光电二极管检测电路 式（1）中，VOUT是运算放大器输出端的电压，单位为V;ISC是光电二极管产生的电流，单位为A;RF是放大器电路中的反馈电阻，单位为W 。图1中的CRF是电阻RF的寄生电容和电路板的分布电容，且具有一个单极点为1/（2p RF CRF）。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件RF。用这个模拟程序，激励信号源为ISC，输出端电压为VOUT。 此例中，RF的缺省值为1MW ，CRF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后，传输函数中的极点等于1/（2p RFCRF），即318.3kHz。改变RF可在信号频响范围内改变极点。 遗憾的是，如果不考虑稳定性和噪声等问题，这种简单的方案通常是注定要失败的。例如，系统的阶跃响应会产生一个其数量难以接受的振铃输出，更坏的情况是电路可能会产生振荡。如果解决了系统不稳定的问题，输出响应可能仍然会有足够大的“噪声”而得不到可靠的结果。 实现一个稳定的光检测电路从理解电路的变量、分析整个传输函数和设计一个可靠的电路方案开始。设计时首先考虑的是为光电二极管响应选择合适的电阻。第二是分析稳定性。然后应评估系统的稳定性并分析输出噪声，根据每种应用的要求将之调节到适当的水平。 这种电路中有三个设计变量需要考虑分析，它们是：光电二极管、放大器和R//C反馈网络。首先选择光电二极管，虽然它具有良好的光响应特性，但二极管的寄生电容将对电路的噪声增益和稳定性有极大的影响。另外，光电二极管的并联寄生电阻在很宽的温度范围内变化，会在温度极限时导致不稳定和噪声问题。为了保持良好的线性性能及较低的失调误差，运放应该具有一个较小的输入偏置电流（例如CMOS工艺）。此外，输入噪声电压、输入共模电容和差分电容也对系统的稳定性和整体精度产生不利的影响。最后，R//C反馈网络用于建立电路的增益。该网络也会对电路的稳定性和噪声性能产生影响。 2 光检测电路的SPICE模型

光敏二极管和光敏三极管

光敏二极管和光敏三极管 光敏二极管和光敏三极管是光电转换半导体器件，与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优。 一、光敏二极管 1．结构特点与符号 光敏二极管和普通二极管相比虽然都属于单向导电的非线性半导体器件，但在结构上有 其特殊的地方。 光敏二极管在电路中的符号如图Z0129 所示。光敏二极管使用时要反向接入电路中，即正极接电源负极，负极接电源正极。 2．光电转换原理 根据PN结反向特性可知，在一定反向电压范围内，反向电流很小且处于饱和状态。此时，如果无光照射PN结，则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限，反向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电流。当有光照射PN结时，结内将产生附加的大量电子空穴对（称之为光生载流子），使流过PN结的电流随着光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称为光电流。 不同波长的光（兰光、红光、红外光）在光敏二极管的不同区域被吸收形成光电流。被表面P型扩散层所吸收的主要是波长较短的兰光，在这一区域，因光照产生的光生载流子（电子），一旦漂移到耗尽层界面，就会在结电场作用下，被拉向N区，形成部分光电流；彼长较长的红光，将透过P型层在耗尽层激发出电子一空穴对，这些新生的电子和空穴载流子也会在结电场作用下，分别到达N区和P区，形成光电流。波长更长的红外光，将透过P型层和耗尽层，直接被N区吸收。在N区内因光照产生的光生载流子（空穴）一旦漂移到耗尽区界面，就会在结电场作用下被拉向P区，形成光电流。因此，光照射时，流过P N结的光电流应是三部分光电流之和。 二、光敏三极管 光敏三极管和普通三极管的结构相类似。不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏二极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通二极管。其结构及符号如图Z0130所示。 当人射光子在基区及集电区被吸收而产生电子一空穴对时，便形成光生电压。由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了β倍的信号电流。因此，光敏三极管是一种相当干将基极、集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大。 1、判断光敏三极管C、E极性，方法是用万用表20M电阻测试档，测得管阻小的时候红表棒端触脚为C极，黑表棒为E极。 2、暗电流测试： 按图（11）接线，稳压电源用±12V，调整负载电阻RL阻值，使光敏器件模板被遮光罩盖住时微安表显示有电流，这即是光敏三极管的暗电流，或是测得负载电阻RL上的压降V暗，暗电流LCEO=V暗/RL。（如是硅光敏三极管，则暗电流可能要小于10-9A，一般不易测出。 3、光电流测试： 缓慢地取开遮光罩，观察随光照度变化测得的光电流I光的变化情况，并将所测数据填入下表：

光敏二极管的检测方法

1．电阻测量法用黑纸或黑布遮住光敏二极管的光信号接收窗口，然后用万用表R×1k档测量光敏二极管的正、反向电阻值。正常时，正向电阻值在10~20kΩ之间，反向电阻值为∞（无穷大）。若测得正、反向电阻值均很小或均为无穷大，则是该光敏二极管漏电或开路损坏。 再去掉黑纸或黑布，使光敏二极管的光信号接收窗口对准光源，然后观察其正、反向电阻值的变化。正常时，正、反向电阻值均应变小，阻值变化越大，说明该光敏二极管的灵敏度越高。 2．电压测量法将万用表置于1V直流电压档，黑表笔接光敏二极管的负极，红表笔接光敏二极管的正极、将光敏二极管的光信号接收窗口对准光源。正常时应有0.2~0.4V电压（其电压与光照强度成正比）。 3．电流测量法将万用表置于50μA或500μA电流档，红表笔接正极，黑表笔接负极，正常的光敏二极管在白炽灯光下，随着光照强度的增加，其电流从几微安增大至几百微安。 1．光敏二极管的简易判别方法 （1）电阻测量法 用万用表1k档，测正向电阻约10kΩ左右。在无光照情况下，反向电阻应为∞，反向电阻不是∞，说明漏电流大；有光照时，反向电阻应随光照增强而减小，阻值小至几kΩ或1k Ω以下。 （2）电压测量法 用万用表1V档（无1V档可用1．5V或3V档），红表笔接光敏二极管的“十”极，黑表笔接“-”极，在光照情况下，其电压应与光照度成比例，一般可达0．2～0．4V。 （3）短路电流测量法 用万用表50mA或500mA电流档，红表笔接光敏二极管的“十”极，黑表笔接“-”极，在白炽灯下（不能用日光灯），应随光照的增强，其电流随之增加。短路电流，可达数十mA ～数百mA。 光敏二极管的主要特性参数 ①最高反向工作电压VRM:是指光敏二极管在无光照的条件下，反向漏电流不大于0.1μA 时所能承受的最高反向电压值。 ②暗电流ID:是指光敏二极管在无光照及最高反向工作电压条件下的漏电流。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱光的能力越强。 ③光电流IL:是指光敏二极管在受到一定光照时，在最高反向工作电压下产生的电流。其测

光电二极管的工作原理及设计方案

光电二极管的工作原理及设计方案 光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换，但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景，单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理，然后如果读者有机会的话，可以运行一个SPICE模拟程序，它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法是将一个光电二极管跨接在一个CMOS 输入放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中，光电二极管工作于光致电压（零偏置）方式。光电二极管上的入射光使之产生的电流ISC从负极流至正极，如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高，二极管产生的电流将流过反馈电阻RF。输出电压会随着电阻RF两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压，即 VOUT = ISC ×RF （1）

图1 单电源光电二极管检测电路 式（1）中，VOUT是运算放大器输出端的电压，单位为V;ISC是光电二极管产生的电流，单位为A;RF是放大器电路中的反馈电阻，单位为W 。图1中的CRF是电阻RF的寄生电容和电路板的分布电容，且具有一个单极点为1/（2p RF CRF）。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件RF。用这个模拟程序，激励信号源为ISC，输出端电压为VOUT。 此例中，RF的缺省值为1MW ，CRF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后，传输函数中的极点等于1/（2p RFCRF），即 318.3kHz。改变RF可在信号频响范围内改变极点。 遗憾的是，如果不考虑稳定性和噪声等问题，这种简单的方案通常是注定要失败的。例如，系统的阶跃响应会产生一个其数量难以接受的振铃输出，更坏的情况是电路可能会产生振荡。如果解决了系统不稳定的问题，输出响应可能仍然会有足够大的“噪声”而得不到可靠的结果。 实现一个稳定的光检测电路从理解电路的变量、分析整个传输函数和设计一个可靠的电路方案开始。设计时首先考虑的是为光电二极管响应选择合适的电阻。第二是分析稳定性。然后应评估系统的稳定性并分析输出噪声，根据每种应用的要求将之调节到适当的水平。 这种电路中有三个设计变量需要考虑分析，它们是：光电二极管、放大器和R//C 反馈网络。首先选择光电二极管，虽然它具有良好的光响应特性，但二极管的寄生电容将对电路的噪声增益和稳定性有极大的影响。另外，光电二极管的并联寄生电阻在很宽的温度范围内变化，会在温度极限时导致不稳定和噪声问题。为了保持良好的线性性能及较低的失调误差，运放应该具有一个较小的输入偏置电流（例如CMOS工艺）。此外，输入噪声电压、输入共模电容和差分电容也对系统的稳定性和整体精度产生不利的影响。最后， R//C反馈网络用于建立电路的增益。该网络也会对电路的稳定性和噪声性能产生影响。

光敏二极管

光敏二极管介绍 名词解释： 光敏二极管又叫光电二极管。 光敏二极管也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单向导电特性。它在电路中的符号是： 光敏二极管的重要特性就是把光能转换成电能。在没有光照时，光敏二极管的反向电阻很大，反向电流很微弱，称为暗电流。当有光照时，光子打在pn结附近，于是在pn结附近产生电子-空穴对，它们在pn结内部电场作用下作定向运动，形成光电流。光照越强，光电流越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。 光敏二极管在应用电路中的两种工作状态： 1、光敏二极管施加有外部反向电压 当光敏二极管加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。 2、光敏二极管不施加外部工作电压 光敏二极管上不加电压，利用P-N结在受光照时产生正向电压的原理，把它用作微型光电池。这种工作状态，通常用作光电检测器。 光敏二极管检测方法： ①电阻测量法 用万用表1k挡。光电二极管正向电阻约10kΩ左右。在无光照情况下，反向电阻为∞时，这管子是好的(反向电阻不是∞时说明漏电流大)；有光照时，反向电阻随光照强度增加而减小，阻值可达到几kΩ或1kΩ以下，则管子是好的；若反向电阻都是∞或为零，则管子是坏的。 ②电压测量法 用万用表1V档。用红表笔接光电二极管“+”极，黑表笔接“—”极，在光照下，其电压与光照强度成比例，一般可达0．2—0．4V。 ③短路电流测量法 用万用表50μA档。用红表笔接光电二极管“+”极，黑表笔接“—”极，在白炽灯下(不能用日光灯)，随着光照增强，其电流增加是好的，短路电流可达数十至数百μA。 光敏二极管的主要特性参数 本文介绍光敏二极管的主要特性参数：如最高反向工作电压V RM、暗电流I D、光电流I L等。 1、最高反向工作电压V RM:是指光敏二极管在无光照的条件下，反向漏电流不大于0.1μA时所能承受的最高反向电压值 2、暗电流I D: 是指光敏二极管在无光照及最高反向工作电压条件下的漏电流暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱无的能力越强。 3、光电流I L : 是指光敏二极管在受到一定光照时，在最高反向工作电压下产生的电流其测量的一般条件是: 2856K 钨丝光源，照度为l000lx。

光电二极管特性测试及其变换电路

光电二极管特性测试及其变换电路 1实验目的 (1)学习掌握光电二极管的工作原理 (2)学习掌握光电二极管的基本特性 (3)掌握光电二极管特性测试的方法 (4)了解光电二极管的基本应用 2实验内容 (1)光电二极管暗电流测试实验 (2)光电二极管光电流测试实验 (3)光电二极管伏安特性测试实验 (4)光电二极管光电特性测试实验 (5)光电二极管时间特性测试实验 (6)光电二极管光谱特性测试实验 3实验仪器 (1)光电器件实验仪1台 (2)示波器1台 (3)万用表1个 (4)计算机1套 4实验原理 光电二极管又称光敏二极管。制造一般光电二极管的材料几乎全部选用硅或锗的单晶材料。由于硅器件较锗器件暗电流、温度系数都小得多,加之制作硅器件采用的平面工艺使其管芯结构很容易精确控制，因此,硅光电二极管得到了广泛应用。 光电二极管的结构和普通二极管相似，只是它的PN结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在PN结上，图1（a）是其结构示意图。光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态，如图1（b）所示。

（a）结构示意图（b）基本电路 图1 光电二极管结构图 PN结加反向电压时，反向电流的大小取决于P区和N区中少数载流子的浓度，无光照时P区中少数载流子(电子)和N区中的少数载流子(空穴)都很少，因此反向电流很小。但是当光照射PN结时，只要光子能量hv大于材料的禁带宽度，就会在PN结及其附近产生光生电子—空穴对，从而使P区和N区少数载流子浓度大大增加。这些载流子的数目，对于多数载流子影响不大，但对P区和N 区的少数载流子来说，则会使少数载流子的浓度大大提高，在反向电压（P区接负，N区接正）作用下，反向饱和漏电流大大增加，形成光电流，该光电流随入射光照度的变化而相应变化。光电流通过负载R L时，在电阻两端将得到随人射光变化的电压信号如果入射光的照度改变，光生电子—空穴对的浓度将相应变动，通过外电路的光电流强度也会随之变动，光敏二极管就把光信号转换成了电信号。 5注意事项 1、实验之前，请仔细阅读光电探测综合实验仪说明，弄清实验箱各部分的功能及拨位开关的意义； 2、当电压表和电流表显示为“1＿”是说明超过量程，应更换为合适量程； 3、连线之前保证电源关闭。 4、实验过程中，请勿同时拨开两种或两种以上的光源开关，这样会造成实验所测试的数据不准确。 6实验步骤 6.1光电二极管暗电流测试 实验装置原理框图如图2所示，但是在实际操作过程中，光电二极管和光电三极管的暗电流非常小，只有nA数量级。这样，实验操作过程中，对电流表的要求较高，本实验中，采用电路中串联大电阻的方法，将图2中的RL改为20M，

二极管分析：光电二极管工作原理及使用情况

二极管分析：光电二极管工作原理及使用情况 当光电二极管配置为光致电压工作方式时，图5所示的系统模型可用来定性分析系统的稳定性。 这个系统模型的SPICE能模拟光电二极管检测电路的频率及噪声响应。尤其是在进入硬件实验以前，通过模拟手段可以容易地验证并设计出良好的系统稳定性。该过程是评估系统的传输函数、确定影响系统稳定性的关键变量并作相应调整的过程。 该系统的传输函数为 （2） 运算放大器具有范围较宽的技术指标及性能参数，它对光检测电路的稳定性和噪声性能影响很少。其主要参数示于图3的模型中，它包括一个噪声源电压、每个输入端的寄生共模电容、输入端之间的寄生电容及与频率有关的开环增益。 输入差分电容CDIFF和输入共模电容CCM是直接影响电路稳定性和噪声性能的寄生电容。这些寄生电容在数据手册中通常规定为典型值，基本不随时间和温度变化。 另一个涉及到输入性能的是噪声电压，该参数可模拟为运放同相输入端的噪声源。此噪声源为放大器产生的所有噪声的等效值。利用此噪声源可建立放大器的全部频谱模型，包括1/f噪声或闪烁噪声以及宽带噪声。讨论中假设采用CMOS输入放大器，则输入电流噪声的影响可忽略不计。

图3 非理想的运放模型 当运行SPICE噪声模拟程序时，必须使用一个独立的交流电压源或电流源。为了模拟放大器的输入噪声RTI，一个独立的电压源VIN应加在放大器的同相输入端。另外，电路中的反馈电阻保持较低值（100W ），以便在评估中不影响系统噪声。 图3模型中的最后一个技术指标为在频率范围内的开环增益AOL（jw ），典型情况下，在传输函数中该响应特性至少有两个极点，该特性用于确定电路的稳定性。 在这个应用电路中，对运放有影响而未模拟的另一个重要性能参数是输入共模范围和输出摆幅范围。一般而言，输入共模范围必须扩展到超过负电源幅值，而输出摆幅必须尽可能地摆动到负电源幅值。大多数单电源CMOS放大器具有负电源电压以下0.3V的共模范围。由于同相输入端接地，此类性能非常适合于本应用领域。当放大器对地的负载电阻为小于RF /10时，则单电源放大器的输出摆幅可最优化。如果采用这种方法，最坏情况下放大器负载电阻的噪声也仅为总噪声的0.5%。 SPICE宏模型可以模拟也可以不模拟这些参数。一个放大器宏模型会具有适当的开环增益频率响应、输入共模范围和不那么理想的输出摆幅范围。表1中列出了本文使用的三个放大器宏模型的特性。

雪崩光电二极管在相位式激光测距仪中的应用

可编程器件应用 电　子　测　量　技　术 EL ECTRONIC M EASUREM EN T TEC HNOLO GY 第30卷第2期2007年2月　 雪崩光电二极管在相位式激光测距仪中的应用 孙懋珩　丁　燕 (同济大学电子与信息工程学院　上海　200092) 摘　要:雪崩光电二极管作为光敏接收器件,特别适合用于微弱信号的接收检测,它在相位式激光测距系统中用来接收经过漫反射后微弱的激光信号。针对雪崩二极管反向偏压电路中高纹波的问题,本文设计和分析了一种高效的低纹波偏压电路,实验结果表明,该方法有效抑制了纹波电压。针对雪崩二极管温度漂移的问题,本文设计和分析一种新型的温度补偿电路,使雪崩二极管达到了最佳雪崩增益。针对雪崩二极管噪声问题,分析了主要噪声源,设计了一个低噪声的前置放大电路,实验结果表明,该电路有效地提高了信噪比。综合实验结果表明,这些电路设计对于提高相位式激光测距仪的测量精度是有效的。 关键词:雪崩光电二极管;相位式激光测距;纹波;温度补偿;前置放大电路 中图分类号:TN710.2 文献标识码:A Study on application of avalanche photodiode in phase laser distance measurement Sun Maoheng　Ding Yan (School of Electronic and Information Engineering,Tongji University,Shanghai200092) Abstract:As a light2sensitive device,avalanche photodiode is particularly suitable for the receiving and detection of weak signal.Therefore,it is always used to receive weak laser signal in the phase laser distance measuring system.To solve the problem of high ripple in the bias voltage circuit,a high efficient circuit with low ripple is designed and analyzed which restrains the ripple effectively.To solve the problem of temperature drift,a new circuit with temperature compensation is designed and analyzed which enables A PD to reach the optimal avalanche gain.To solve the problem of noise,the major noises of A PD are analyzed and a preamplifier circuit with low noise is designed which raise the signal2 to2noise ratio effectively.The results of the experiment indicate that these circuit designs raise the measuring accuracy of the phase laser distance measuring system effectively. K eyw ords:avalanche photodiode;phase laser distance measurement;ripple;temperature compensation;preamplifier 0　引 言 在相位式激光测距仪的激光接收部分中,雪崩二极管作用非常关键。在激光测距仪中,激光从发射到接收,由于经过目标的漫反射以及衰减,接收到的激光信号非常微弱,使得接收检测相对较为困难,所以一般都用雪崩光电二极管作为光敏接收器件[1]。雪崩二极管具有很高的内部增益,响应速度非常快,但要使雪崩二极管发挥其优异的特性,必须给它提供一个较高的反向偏置电压(一般在几十伏以上甚至几百伏。一般的开关电源可以达到这么高的电压要求,但伴随着会有相对较大纹波电压,电源的纹波电压变化范围越大,对雪崩二极管的影响就越大,它会严重影响到雪崩二极管的最佳增益。针对这一情况,本文提出的一种高效的低纹波偏压电路是通过从高压输出端引出一个反馈电路,直接反馈到高压电路的电源端,通过改变电源电压来改变高压输出。在实验中测得的输出高压的纹波与之前未经低纹波设计的高压电路相比,纹波电压得到了很好的抑制。对于雪崩二极管来说,一个小小的温度变化就能引起增益的很大变化,为了保证温度变化时增益值不变,就必须改变PN结倍增区的电场,因此必须接入一个温度补偿电路,在温度变化时来调整光检测器的偏置电压。本文设计了一个新型的温度补偿电路,用一个模拟温度传感器及一个运放,通过简单的计算公式进行参数配置,最终得出一条与A PD最佳增益非常匹配的反向高压输出曲线。雪崩二极管在倍增过程中产生的附加噪声会大大降低测量的性能,为达到最大信噪比,提高相位式激光测距仪的测量精度,本文对其噪声进行了分析并且设计了一个有效的前置放大电路。实验结果表明,该电路有效地提高了信噪比。将这些电路在相位式激光测距仪接收模块中应用,结果表明,它们对于提高相位式激光测